Neuro (Fach) / Vorlesung 2 (Lektion)

Vorlesung 2

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• Grundaufbau Neuron Soma (Zellkörper) Dendriten Axon
• Informationsfluss im Neuron Dendriten empfangen Signale anderer Zellen, diese fließen via passiver Leitung Richtung Soma Aktionspotentiale werden im Axonhügel ausgelöst und wandern das Axon entlang weg vom Soma
• Aktionspotential AP wird bei ausreichender Depolarisation der Membran im Bereich des Axonhügels durch Öffnung spannungsabhängiger Na+ Kanäle ausgelöst AP wandert weg vom Zellkörper (saltatorische Erregungsleitung) und führt in der Präsynapse zur Transmitterfreisetzung
• Ablauf des Aktionspotentials 1. Neuron wird depolarisiert (z.B. durch synaptische Aktivität) 2. Ab einer gewissen Schwelle öffnen sich spannungsabhängige Na+ Kanäle, die besonders im Axonhügel konzentriert sind 3. Führt zu einer positiven Feedback Schleife --> Na+ Kanäle öffnen sich --> Na+ strömt ein, Neuron wird weiter depolarisiert usw. 4. Na+-Kanäle schließen sich nach 1ms wieder 5. Zellinnere ist nun depolarisiert 6. K+ strömt aus (einige K+ Kanäle sind immer offen); zusätzliche Spannungsabhängige "delayed rectifier" K+-Kanäle öffnen sich mit Verzögerung --> Das Zellinnere wird wieder negativer (Repolarisation) 7. Die K+-Kanäle schließen mit Verzögerung; durch den länger andauernden K+-Ausstrom kommt es zur Hyperpolarisation (Nachpotential) 8. Die Na+/K+ Pumpen arbeiten die ganze Zeit weiter und stellen nach einiger Zeit die Ursprungsverteilung der Ionen wieder her
• Refraktärphase (refractory period) - Zeitraum nicht vorhandener bzw. reduzierter Erregbarkeit eines Neurons nach einem AP - absolute Refraktärphase: Na+-Kanäle sind inaktiviert und geschlossen - ein weiteres AP kann nicht ausgelöst werden - relative Refraktärphase: während des Nachpotenzials ist für ein neues AP ein stärkerer Impuls notwendig
• Informationskodierung durch Aktionspotenziale - AP hat immer die gleiche Amplitude, wie können dann Unterschiede in der Reizintensität kodiert werden? --> Reizstärke bedingt die Frequenz der AP
• Ursachen der Frequenzkodierung 1. Reiz, der gerade soeben überschwellig ist, löst ein AP aus 2. ein solcher Reiz, kann erst wieder ein AP auslösen, wenn die relative Refraktärphase abgelaufen ist 3. Überschwellige Reize können dagegen auch während der relativen Refraktärzeit ein neues AP auslösen 4. Darüber hinaus ist die Steigung des Aufstriches des APs bei stärkeren Reizen steiler, da sich mehr spannungsabhängige Na+-Kanäle schneller öffnen
• Informationskodierung durch Neurone - Feuerrate = spiking rate --> Anzahl der ausgelösten AP pro Zeiteinheit - manche Neurone feuern besonders bei visueller Stimulation, andere bei Sprachproduktion - "Was machen die Neurone?" - wichtige Frage bei der Beschreibung der Funktion eines Hirnareals - Neurone mit ähnlicher Antworteigenschaft sind häufig räumlich gruppiert --> regionale funktionelle Spezialisierung
• Chemische Synapse - Präsynapse: zur informationssendenen Zelle gehöriger Teil - Postsynapse: Zur informationsempfangenden Zelle gehöriger Teil --> AP von PRÄ zu POST
• Transmitterfreisetzung (Exozytose) 1. AP erreicht präsynaptische Endigung 2. Spannungsgesteuerte Ca2+ Kanäle öffnen sich 3. Vesikel verschmelzen mit der Zellmembran 4. Transmittermoleküle diffundieren in den synaptischen Spalt
• Synaptische Transmission - Übersicht 1. AP erreicht präsynaptische Endigung 2. Ausschüttung von Neurotransmittern in den synaptischen SPalt 3. Transmitter binden an Rezeptoren in der subsynaptischen Membran (postsynaptische Membran) 4. je nach Transmitter und Rezeptor wird ein EPSP (Exzitatorisches postsynaptisches Potential) oder ein IPSP (inhibitorisches postsynaptisches Potential) ausgelöst
• Das dopaminerge System -Quelle Dopamin: dopaminerge Neurone in der Substantia Nigra/ventrales Tegmentum - einige dopaminerge Projektionssysteme: mesolimbischer Pfad, mesokortikaler Pfad, nigrostriataler Pfad - wichtig ür Motorik, Belohnung, kognitive Kontrolle, Lernen -Parkinson Krankheit, Suchterkrankungen, Schizophrenie
• Katecholamine - Tyrosin als gemeinsamer Vorläufer von Dopamin, Noradrenalin, Adrenalin Tyrosin --> Dopa --> Dopamin --> Noradrenalin --> Adrenalin
• Tyrosin/Phenylalanin Depletion - Aminosäuren Tyrosin und Phenylalanin sind zur Bildung aller Katecholamine wichtig - Durch Depletion von Tyrosin ("Weglassen" von Tyrosin in der Nahrung) kann die Synthese von Katecholaminen reduziert werden -Dopamin davon wesentlich stärker betroffen als Noradrenalin - Ansatz erlaubt, den Einfluss von Dopamin auf Gehirn und Verhalten zu untersuchen
• Das cholinerge System - cholinerge Interneurone in Kortex und Basalganglien - zwei wichtige cholinerge Projektionssysteme: Nucleus Basalis Meynert, Pontomesencephalotegmentaler Komplex - wichtig für Lernen, Gedächtnis, Aufmerksamkeit - Cholinerge Hypothese der Alzheimer Krankheit --> kognitive Defizite z.T. auf Absterben cholinerger Neurone zurückzuführen
• Das serotonerge System - Quelle: Raphe-Kerne im Hirnstamm - Serotonerge Projektionssysteme: Rostrale Raphe kerne --> Gehirn, Caudale Raphe kerne --> Rückenmark -wichtig für Stimmung, Emotionen, zirkadiane Rhythmik - assoziiert mit Depression und Angsterkrankungen
• Tryptophan Depletion - essentielle Aminosäure Tryptophan ist für die Synthese von Serotonin (5-hydroxy-Tryptamin, 5-HT) notwendig - durch Depletion von Tryptophan ("Weglassen" in der Nahrung) kann die Synthese von Serotonin reduziert werden - ermöglicht, den Einfluss von Serotonin auf Gehirn und Verhalten zu untersuchen
• Das noradrenerge System - Quelle: Locus Coeruleus im Hirnstamm - LC Neurone projiizieren verzweigt in fast alle Bereiche des Neokortex - NA reguliert die Erregbarkeit kortikaler Regionen --> Neuromodulator - Mit Depression und Manie assoziiert
• Messen der Pupillendilatation - Weitung der Pupille geht mit einer Aktivierung des sympathischen Nervensystems einher - Messung mittels Kamera (Eyetracker zur Messung von Blickbewegung und Pupille) - Erhöhte Kognitive Anforderungen führen zu einer Weitung der Pupille - je schwieriger die Aufgabe, desto weiter die Pupille
• Pupillendilatation und Locus Coeruleus Aktivität - es scheint einen engen Zusammenhang zwischen neuronaler Aktivitität im Locus Coeruleus und Pupillendilatation zu geben - Joshida et al, 2005: untersuchung dieses Zusammenhangs im Affen - Feuerrate von LC Neuronen korreliert mit Pupillendilatation - Stimulation des LC führt zu Pupillendilatation --> Abbildungen
• Neuroanatomie - graue Substanz = Zellkörper der Nervenzellen - weiße Substanz = Axone, Myelin, Gliazellen - Corpus Callosum = Fasertrakt, der die Hemisphären verbindet - Sulci = Furchen -Gyri = Windungen Ventrikel
• Zerebrospinalflüssigkeit - aka Liquor, CSF (cerebrospinal fluid) - befindet sich in den Ventrikeln und umgibt das Gehirn (Hirn "schwimmt" im Liquor) - schützendes "Kissen" - enthält z.B. Hormone, Abbauprodukte etc. Bild
• Lagebezeichnungen Abbildung oben = dorsal/superior unten = ventral/inferior links/vorne = anterior/rostral rechts/hinten = posterior/caudal verschiedene Schnitte: Horizontalschnitt, Frontalschnitt, Sagittalschnitt
• Hirnkompartimente Abbildung/Tabelle
• Der zerebrale Kortex - zwei Hemisphären - laterale Oberfläche wird in 4 Lappen (lobes) unterteilt: Frontal, Parietal, Okzipital und Temporal -Lappen haben charakteristische Muster an Gyri und Sulci - Regionen sind durch Unterschiede in der Zytoarchitektur charakterisiert --> Form, Größe, Anordnung der Zellen - Brodmann: Aufteilung in 52 Areale (BA1-BA52)
• Subkortex: Basalganglien - wichtig für Handlungssteuerung und Kognition - Interaktion mit Frontallapen über fronto-striatale Schleifen - Chorea Huntington: Hyperkinesie, Morbus Parkinson: Hypokinesie - Caudate - Putamen - Globus Pallidus
• Sub-Kortex: das limbische System - teils etwas veraltetes aber verbreitetes Konzept -zentrale Rolle bei Emotionsverarbeitung, Lern- und Gedächtnisprozessen - Amygdala, Hippocampus, cingulärer Kortex
• Subkortex: das Zwischenhirn (Diencephalon) - Thalamus: Schaltstelle zwischen sensorischen Organen (außer Geruch) und Kortex - Hypothalamus: Regulation basaler Körperfunktionen wie Hunger, Durst, Temperatur, sexuelle Aktivität, endokrine Funktionen
• Mittelhinr Tectum - colliculi superior: subkortikale visuelle Kerne - colliculi inferior: subkortikale auditorische Kerne Tegmentum: - substantia nigra/ventrales tegmentum: dopaminerge Kerne -Nucleus Ruber: Teil des motorischen Systems
• Hinterhirn (Rautenhirn) und KLeinhirn/Cerebellum - Medulla oblongata (verlängertes Rückenmark) und Pons (brücke) --> steuerung wichtiger Vitalfunktioen wie Herzrate und Atmung - Kleinhirn: Wichtige Rolle bei der Motorik, insbesondere bei der Integration von motorischen Kommandos mit sensorischem Feedback --> "smooth movement"
• Prinzipien der Funktionsweise des NS 1. Inforverarbeitungs Ablauf im Gehirn = input --> Integration --> Output 2. Sensorische und motorische Funktionen sind innerhalb des NS getrennt 3. Inputs und Outputs für das Gehirn sind gekreuzt 4. Gehirnanatomie und Funktion sind sowhol symmetrisch als auch asymmetrisch 5. NS arbeitet durch Nebeneinandersetzung von Exzitation und Inhibition 6. NS hat multiple Funktionslevel 7. Gehirnkomponenten arbeiten sowohl hierarchisch als auch parallel 8. FUnktionen im Gehirn sind sowohl in bestimmten Regionen lokalisiert als auch verteilt
• Prinzipien: 2. sensorische und motorische Funktionen sind innerhalb des NS getrennt - Bell-Magendie Gesetz ventrales Rückenmark: motorische Funktionen dorsales Rückenmark: sensorische Funktionen - in höheren Regionen (Vorderhirn) wird diese Trennung allerdings zunehmend subtiler
• Prinzipien 4: Symmetrie und Asymmetrie - Hirnhemisphären erscheinen symmetrsich - Integrative Funktionen erfordern allerdings ggf. Asymmetrie: motorische Kontrolle der Sprachproduktion (typischerweise links lateralisiert) Kontrolle der Navigation im raum (typischerweise rechts lateralisiert)
• Prinzipien 5: Erregung und Hemmung Verhalten erfordert Aktivierung bestimmter Handlungen (Erregung/Exzitation) und Hemmung (Inhibition) anderer Handlungen Exzitation/Inhibition Balance wichtig auf verschiedenen Ebenen - Regulation der Balance zwischen Sympathikus und Parasympatikus - e vs. i Effekte auf einzelne Neurone e vs. i Verbindungen zwischen Arealen
• Prinzipien 6: Infoverarbeitung auf multiplen Ebenen - verschiedene Hirnregionen (z.B. Hirnstamm, Zwischenhirn, Kortex) sind mit ähnlichen sensorishcen und motorischen Funktionen befasst - im Zuge der Evolution sind zusätzliche höhere Areale dazu gekommen, ohne dass die evolutionär älteren Strukturen ersetzt wurden
• Prinzip 8: Funktoinen sind lokalisiert UND verteilt verortet - was genau ist eine Funktio? - Beispiel Sprache oder Gedächtnis, verschiedene Aspekte der Funktionen sind verteilt repräsentiert - Fokale Läsionen können bestimmte Aspekte der Sprachverarbeitung beeinträchtigen: Sprachproduktion Verständnis Lesen Schreiben Fokale Läsionen --> Fokale Defizite/Symptome

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